JP6828658B2

JP6828658B2 - 排気マニホールド

Info

Publication number: JP6828658B2
Application number: JP2017217588A
Authority: JP
Inventors: 航平成田; 英二郎柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: JP2019090332A

Description

本発明は、線熱膨張係数の異なる複数の部材で構成される排気マニホールドに関する。

特許文献１には、複数本のパイプで構成される排気マニホールドと、集合管とを接続する排気管の接続構造の一例が記載されている。排気マニホールドの下流端部は、複数本のパイプが集合してなるパイプ集合部となっており、このパイプ集合部は、円筒状の中間部材の内側に挿入されているとともに、同中間部材に溶接されている。また、中間部材は、集合管の上流端部内に挿入されており、中間部材が集合管に溶接によって固定されている。

特開２００４−３０１１３２号公報

排気マニホールドの構成材質及び中間部材の構成材質の組み合わせによっては、排気マニホールドのパイプ集合部と中間部材との溶接が異種材料溶接となるおそれがある。この場合、排気管内を高温の排気が流れ、排気マニホールド及び中間部材が熱膨張する際、これらの線熱膨張係数が互いに相違しているため、周方向における排気マニホールドの膨張量と中間部材の膨張量との乖離が大きく、排気マニホールドと中間部材との溶接部分で材料強度を上回る熱歪みが生じてしまうおそれがある。

上記課題を解決するための排気マニホールドは、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられる鋳鉄製の第１筒状体と、前記第１筒状体に溶接される筒状の中間部材と、前記中間部材に溶接されるステンレス製の第２筒状体と、を備えている。前記第２筒状体は前記中間部材の内側に挿入されているとともに、前記第１筒状体の両端のうちの前記第２筒状体に近い側の端は、前記中間部材よりも外周側であって、且つ、同中間部材の両端の間に位置している。そして、前記中間部材の線熱膨張係数と前記第２筒状体の線熱膨張係数との差分は、前記中間部材の線熱膨張係数と前記第１筒状体の線熱膨張係数との差分よりも小さい。また、前記第２筒状体と前記中間部材との溶接に用いられた溶加材の線熱膨張係数と前記第２筒状体の線熱膨張係数との差分は、前記溶加材の線熱膨張係数と前記第１筒状体の線熱膨張係数との差分よりも小さい。

排気マニホールド内を高温の排気が流れると、各筒状体の温度が高くなるため、軸方向に各筒状体が伸びようとする。各筒状体が溶接されていると、その溶接部分で各筒状体の伸びが拘束されるため、当該溶接部分に応力が集中しやすい。この点、上記構成によれば、溶接部分が２つ設けられることとなるため、各筒状体が伸びようとすることで生じる応力を２つの溶接部分に分散させることができる。

また、２つの溶接部分のうち、径方向内側に位置する溶接部分は、第２筒状体と、第２筒状体の線熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する中間部材とを溶接する部分であり、当該溶接には、第２筒状体の線熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する溶加材が用いられている。そのため、各筒状体及び中間部材が径方向に熱膨張した際に、第２筒状体の膨張量、中間部材の膨張量、及び、溶加材を用いた溶接によって生じた溶接ビードの膨張量との間に乖離が生じにくいため、当該溶接部分での材料強度を上回る熱歪みが生じにくい。

一方、２つの溶接部分のうち、径方向外側に位置する溶接部分は、第１筒状体と、第１筒状体の線熱膨張係数に近くない熱膨張係数を有する中間部材とを溶接する部分である。すなわち、第１筒状体と中間部材との溶接は異種材料溶接となる。しかし、上記構成では、当該溶接部分には、第２筒状体と中間部材との溶接部分と比較し、排気マニホールド内を流れる排気の熱が伝わりにくい。すなわち、第１筒状体と中間部材との溶接部分に伝達される熱量は、第２筒状体と中間部材との溶接部分に伝達される熱量よりも少ない。そのため、中間部材の膨張量と第１筒状体の膨張量との乖離が大きくなりにくい。その結果、線熱膨張係数が相違する第１筒状体と中間部材との溶接部分で材料強度を上回る熱歪みが生じにくい。

したがって、上記構成によれば、高温の排気が内部を流れた際に溶接部分に材料強度を上回る熱歪みが生じにくくすることができるようになる。

実施形態の排気マニホールドの一部分を模式的に示す断面図。別の実施形態における排気マニホールドの一部分を模式的に示す断面図。

以下、排気マニホールドの一実施形態を図１に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気マニホールド１０は、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられる第１筒状体１１と、第１筒状体１１の内側に挿入されている筒状の中間部材２０と、中間部材２０の内側に挿入されている第２筒状体３０とを備えている。第１筒状体１１は、鋳鉄によって構成されている。第２筒状体３０及び中間部材２０は、ステンレスによってそれぞれ構成されている。なお、本実施形態では、第２筒状体３０及び中間部材２０は、同種のステンレス（例えば、ＳＵＳ４２５）によってそれぞれ構成されている。すなわち、中間部材２０の線熱膨張係数と第２筒状体３０の線熱膨張係数との差分は、中間部材２０の線熱膨張係数と第１筒状体１１の線熱膨張係数との差分よりも小さい。

第１筒状体１１のうち、中間部材２０及び第２筒状体３０が挿入されている部分を下流端部１２とした場合、下流端部１２の内径は、下流端部１２よりも上流側（図中右側）の部位の内径よりも大きくなっている。また、第１筒状体１１の下流端１２１は、その軸方向（図中左右方向）において中間部材２０の両端の間に配置されている。そして、第１筒状体１１の下流端１２１が、溶加材を用いて中間部材２０の外周面に全周にわたって溶接されている。図１には、第１筒状体１１と中間部材２０との溶接によって形成されたビードが「第１溶接ビードＢ１」として図示されている。

なお、第１筒状体１１と中間部材２０との溶接に用いられる溶加材としては、第１筒状体１１の線熱膨張係数と同程度の線熱膨張係数を有する素材、中間部材２０と同程度の線熱膨張係数を有する素材、第１筒状体１１の線熱膨張係数と中間部材２０の線熱膨張係数との間の線熱膨張係数を有する素材などを挙げることができる。

第２筒状体３０の先端３１（図１では右端）は、第１筒状体１１の下流端１２１よりも上流側（図１では右側）に位置している。そして、中間部材２０の下流側の端２１と第２筒状体３０とが、規定の溶加材を用いて全周にわたって溶接されている。図２には、第２筒状体３０と中間部材２０との溶接によって形成されたビードが「第２溶接ビードＢ２」として図示されている。

なお、第２筒状体３０と中間部材２０との溶接に用いられる規定の溶加材としては、以下のような条件を満たすものを挙げることができる。
（条件）規定の溶加材の線熱膨張係数と第２筒状体３０の線熱膨張係数との差分が、規定の溶加材の線熱膨張係数と第１筒状体１１の線熱膨張係数との差分よりも小さいこと。

例えば、第２筒状体３０及び中間部材２０の線熱膨張係数（すなわち、ステンレス「ＳＵＳ４２５」の線熱膨張係数）が約「１２」であり、第１筒状体１１（すなわち、鋳鉄の線熱膨張係数）が約「１４」であるものとする。この場合、規定の溶加材としては、線熱膨張係数が約「１２」となる素材を用いることが好ましい。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
図１の白抜きの矢印に示す方向に排気マニホールド１０内を高温の排気が流れると、排気マニホールド１０が暖められるため、排気マニホールド１０の軸方向（図１では左右方向）に各筒状体１１，３０が伸びようとする。本実施形態では、溶接部分に相当する溶接ビードＢ１，Ｂ２が２箇所に設けられている。そのため、各筒状体１１，３０が伸びようとすることで生じる応力が２つの溶接ビードＢ１，Ｂ２に分散される。すなわち、当該応力を分散させることができる。

また、２つの溶接ビードＢ１，Ｂ２のうち、径方向内側に位置する第２溶接ビードＢ２は、第２筒状体３０と、第２筒状体３０の線熱膨張係数と同じ熱膨張係数を有する中間部材２０とを溶接する部分であり、当該溶接には、第２筒状体３０の線熱膨張係数に比較的近い熱膨張係数を有する規定の溶加材が用いられている。そのため、各筒状体１１，３０及び中間部材２０が径方向に熱膨張した際に、第２筒状体３０の膨張量と、中間部材２０の膨張量と、第２溶接ビードＢ２の膨張量との間に乖離が生じにくい。したがって、第２溶接ビードＢ２では材料強度を上回る熱歪みが生じにくい。

一方、径方向外側に位置する第１溶接ビードＢ１は、第１筒状体１１と、第１筒状体１１の線熱膨張係数に近くない熱膨張係数を有する中間部材２０とを溶接する部分である。すなわち、第１筒状体１１と中間部材２０との溶接は異種材料溶接となる。しかし、本実施形態では、第１溶接ビードＢ１には、第２溶接ビードＢ２と比較し、排気マニホールド１０内を流れる排気の熱が伝わりにくい。すなわち、第２溶接ビードＢ２には第２筒状体３０を介して排気の熱が伝わるのに対し、第１溶接ビードＢ１には第２筒状体３０及び中間部材２０を介して排気の熱が伝わる。そのため、第１溶接ビードＢ１に伝達される熱量は、第２溶接ビードＢ２に伝達される熱量よりも少ない。その結果、中間部材２０の膨張量と第１筒状体１１の膨張量との乖離が大きくなりにくく、ひいては第１溶接ビードＢ１で材料強度を上回る熱歪みが生じにくい。

したがって、本実施形態によれば、高温の排気が排気マニホールド１０内を流れた際に、２つの部材の溶接部分に材料強度を上回る熱歪みが生じにくくすることができる。
次に、本実施形態の排気マニホールド１０を製造する際の手順の一例について説明する。

まずはじめに、第１筒状体１１の下流端部１２内に中間部材２０が挿入される。この状態で中間部材２０が第１筒状体１１に溶接される。その後、第１筒状体１１に溶接された中間部材２０内に第２筒状体３０が挿入される。そして、第２筒状体３０の先端３１が第１筒状体１１の下流端１２１よりも上流側（図１では右側）に位置するようになると、第２筒状体３０が中間部材２０に溶接される。

ここで、中間部材２０を第１筒状体１１に溶接した際に、第１溶接ビードＢ１が中間部材２０の内側まで溶け込んでしまうことがある。この場合、その後に第２筒状体３０を中間部材２０内に挿入する際に、第２筒状体３０の先端３１が第１溶接ビードＢ１に当接し、第２筒状体３０を所望する位置（図１に示す第２筒状体３０の位置）まで移動させることができない。そのため、第２筒状体３０を所望する位置まで挿入させることができないことを検出することにより、第１筒状体１１に中間部材２０を溶接した際に、第１溶接ビードＢ１が中間部材２０の内側まで溶け込んでしまったことを検出できる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、中間部材２０の線熱膨張係数を第２筒状体３０の線熱膨張係数と等しくしている。しかし、中間部材２０の線熱膨張係数と第２筒状体３０の線熱膨張係数との差分が中間部材２０の線熱膨張係数と第１筒状体１１の線熱膨張係数との差分よりも小さいのであれば、第２筒状体３０を構成する素材とは異なる素材で構成したものを中間部材２０として採用してもよい。

・排気マニホールドとして、図２に示す排気マニホールド１０Ａを採用してもよい。この排気マニホールド１０Ａでは、第２筒状体３０の内部の空間（すなわち、排気が流れる空間）と中間部材２０との間に空気層ＳＰが形成されている。この場合、第２筒状体３０のうち、中間部材２０内に挿入される部分に、他の部分よりも内径の小さい小径部３２を設けることにより、空気層ＳＰを形成することができる。このように第２筒状体３０と中間部材２０との間に空気層ＳＰを形成することにより、排気の熱が第１溶接ビードＢ１に伝わりにくくなる。その結果、第１溶接ビードＢ１で材料強度を上回るような熱歪みが生じることの抑制効果をさらに高めることができる。

１０，１０Ａ…排気マニホールド、１１…第１筒状体、１２１…下流端、２０…中間部材、３０…第２筒状体。

Claims

内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられる鋳鉄製の第１筒状体と、前記第１筒状体に溶接される筒状の中間部材と、前記中間部材に溶接されるステンレス製の第２筒状体と、を備え、
前記第２筒状体は前記中間部材の内側に挿入されているとともに、前記第１筒状体の両端のうちの前記第２筒状体に近い側の端は、前記中間部材よりも外周側であって、且つ、同中間部材の両端の間に位置しており、
前記中間部材の線熱膨張係数と前記第２筒状体の線熱膨張係数との差分は、前記中間部材の線熱膨張係数と前記第１筒状体の線熱膨張係数との差分よりも小さく、
前記第２筒状体と前記中間部材との溶接に用いられた溶加材の線熱膨張係数と前記第２筒状体の線熱膨張係数との差分は、前記溶加材の線熱膨張係数と前記第１筒状体の線熱膨張係数との差分よりも小さい
排気マニホールド。